強(qiáng)化后再生粗骨料混凝土單軸受壓本構(gòu)關(guān)系

李 磊，徐培蓁，朱亞光，閆洪生，李會文

(1. 青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033；2. 青島鼎新恩同綠色建材科技有限公司，山東 青島 266000)

將廢棄混凝土破碎形成的再生粗骨料重新應(yīng)用于工程是解決建筑垃圾問題的有效方法[1]，但因再生粗骨料表面附著的砂漿強(qiáng)度低、孔隙率大[2]等缺點(diǎn)導(dǎo)致再生粗骨料混凝土性能要低于天然混凝土．針對附著砂漿造成的問題，已有的強(qiáng)化方法包括：一是通過立式偏心研磨[3]、顆粒整形技術(shù)[4]以及酸液處理[5]等去除附著砂漿，二是采用納米SiO2浸泡[6]、硅烷浸泡[7]以及微生物礦化沉積[8]等強(qiáng)化附著砂漿，這兩類方式對再生粗骨料性能提升都有較好效果．

國內(nèi)外學(xué)者對強(qiáng)化后的再生混凝土抗壓性能進(jìn)行了廣泛研究，但對應(yīng)力 - 應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系研究較少．在已有再生混凝土本構(gòu)關(guān)系方面，BAIRAGI[9]等人研究指出再生粗骨料混凝土與天然混凝土本構(gòu)關(guān)系具有類似性．肖建莊[10]認(rèn)為再生粗骨料取代率的不同，對再生混凝土性能影響顯著．徐明[11]等發(fā)現(xiàn)高溫后再生混凝土的本構(gòu)關(guān)系與天然混凝土具有相似性，并建立了本構(gòu)方程．陳宗平[12]等發(fā)現(xiàn)再生混凝土本構(gòu)曲線下降段較為陡峭，不同取代率下泊松比變化不明顯．LUO[13]等發(fā)現(xiàn)碳化處理再生粗骨料后混凝土本構(gòu)關(guān)系與天然混凝土的更加接近．以往試驗大多采用單一強(qiáng)化方式，為研究去除和強(qiáng)化附著砂漿兩類處理方式對混凝土力學(xué)性能及本構(gòu)關(guān)系的影響，分別采用顆粒整形技術(shù)和納米SiO2浸泡法強(qiáng)化再生粗骨料，制備水膠比為0.5的混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗，利用Origin軟件對單軸抗壓試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，提出了不同強(qiáng)化方式下再生粗骨料混凝土單軸受壓本構(gòu)方程．

1 再生粗骨料的強(qiáng)化

1.1 再生粗骨料

所用再生粗骨料由實驗室廢棄混凝土試塊破碎篩分(粒徑為4.75～26.5 mm)得到，選取粒徑為4.75～26.5 mm碎石為天然粗骨料，基本性能指標(biāo)見表1．可以看出簡單破碎粗骨料的表觀密度和堆積密度都低于天然粗骨料，吸水率及壓碎指標(biāo)相比天然骨料的差別較大，分別高294.1%和55.6%，說明再生粗骨料附著砂漿和內(nèi)部微裂縫對其性能影響較大．

1.2 強(qiáng)化再生粗骨料

1.2.1 納米SiO2強(qiáng)化

采用型號為HTSi-11L的納米SiO2溶液，其改善再生粗骨料的機(jī)理是納米SiO2與附著砂漿中的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)(見公式1)，生成C-S-H凝膠，填充裂縫和改善孔隙結(jié)構(gòu)[14]，且納米材料本身也具有填充效應(yīng)，從而提高再生粗骨料性能．

xCa(OH)2+SiO2+mH2O=xCaO·SiO2·mH2O

(1)

選取三種濃度(1%、2%、3%)的納米SiO2溶液和三種浸泡時間(24 h、48 h、72 h)對再生粗骨料進(jìn)行浸泡處理．由圖1、2可以看出吸水率與壓碎指標(biāo)隨濃度和時間增加而降低，濃度為2%和3%，時間為48 h和72 h時，相差不大．考慮效率及經(jīng)濟(jì)性選定浸泡濃度為2%，浸泡時間為48 h，納米SiO2強(qiáng)化后再生粗骨料性能見表1．

圖1 吸水率Fig.1 Water absorption

圖2 壓碎指標(biāo)Fig.2 Crushing index

1.2.2 顆粒整形強(qiáng)化

顆粒整形技術(shù)是通過高速運(yùn)轉(zhuǎn)的再生粗骨料相互摩擦，打磨掉附著砂漿和突出棱角[4]，使其圓潤、光滑．將簡單破碎粗骨料經(jīng)整形機(jī)處理后為一次顆粒整形，將一次顆粒整形粗骨料重復(fù)上述步驟后為二次顆粒整形．由于二次顆粒整形后再生粗骨料附著砂漿較少，且再次進(jìn)行顆粒整形會使骨料自身損傷較大，因此本試驗僅進(jìn)行了一次、二次顆粒整形．顆粒整形強(qiáng)化后再生粗骨料性能見表1．

表1 粗骨料物理指標(biāo)Tab.1 Physical index of coarse aggregate

1.2.3 強(qiáng)化結(jié)果分析

由表1的數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過強(qiáng)化后的再生粗骨料各項物理性均能得到顯著提高；納米SiO2浸泡效果與一次顆粒整形大體相當(dāng)；二次顆粒整形效果明顯高于納米SiO2浸泡和一次顆粒整形；二次顆粒整形效果較納米SiO2浸泡吸水率低30.6%、壓碎指標(biāo)低39.8%、表觀密度和堆積密度分別高5 kg/m3和149 kg/m3，由此可見去除附著砂漿的顆粒整形法要優(yōu)于強(qiáng)化附著砂漿的納米SiO2強(qiáng)化法；二次顆粒整形強(qiáng)化后再生粗骨料性能僅吸水率劣于天然粗骨料．后續(xù)試驗中顆粒整形再生粗骨料全部為二次顆粒整形粗骨料．

2 原材料與試驗設(shè)計

2.1 原材料

試驗中所用水泥為山水牌42.5R普通硅酸鹽水泥，拌和水均為自來水，細(xì)骨料采用天然河砂，粗骨料為第1節(jié)所介紹粗骨料．

2.2 混凝土配合比

采用四種粗骨料制備混凝土試塊：天然粗骨料混凝土(NAC)、簡單破碎再生粗骨料混凝土(RAC)、納米SiO2強(qiáng)化再生粗骨料混凝土(NSRAC)及顆粒整形強(qiáng)化再生粗骨料混凝土(PSRAC)．再生粗骨料取代率分別取為：30%、50%、70%及100%，共13組試件，每組6個棱柱體(100 mm×100 mm×300 mm)和3個立方體(100 mm×100 mm×100 mm)．水膠比為0.5，砂率為40%，實際用水量考慮了再生骨料10 min吸水量和骨料實際含水量的附加用水量[15]．混凝土配合比見表2．

表2 混凝土配合比Tab.2 Mix proportion of concrete kg/m3

2.3 試驗方法

用坍落度法測試天然與再生新拌混凝土的工作性能，各組新拌混凝土坍落度值均在100～120 mm之間．立方體抗壓強(qiáng)度試驗和單軸抗壓試驗分別在YAW-3000D混凝土壓力試驗機(jī)與YAW-5000A電液伺服壓力試驗機(jī)上進(jìn)行．為了采集到混凝土應(yīng)力 - 應(yīng)變?nèi)€下降段的數(shù)據(jù)，采用如圖3的剛性輔助架以增加試驗機(jī)剛度，先進(jìn)行預(yù)壓以保證試塊處于軸壓狀態(tài)．試驗數(shù)據(jù)由DH3816N應(yīng)變采集系統(tǒng)自動采集，傳感器為100 t壓力傳感器，電阻應(yīng)變計橫、縱向量測標(biāo)距分別為50 mm和100 mm，粘貼位置如圖4所示．

圖3 軸心受壓試驗裝置Fig.3 Uniaxial compression test equipment

圖4 應(yīng)變計粘貼示意圖Fig.4 Schematic diagram of strain

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 抗壓強(qiáng)度

表3為各組混凝土試件經(jīng)試驗測得的軸心抗壓強(qiáng)度(fc)與立方體抗壓強(qiáng)度(fcu)，對兩者進(jìn)行比較，得到fc與fcu的比值關(guān)系．各類混凝土不同取代率下強(qiáng)度比值波動不大，強(qiáng)化再生粗骨料的NSRAC和PSRAC的fc和fcu較RAC的都有所增加，但仍低于NAC；RAC和NSRAC均低于NAC的fc和fcu平均比值，而PSRAC的fc/fcu平均比值為0.813，要高于NAC的0.757．由各組混凝土fc和fcu平均比值關(guān)系，可以對fc和fcu進(jìn)行相互推算．對比NSRAC與PSRAC的fc和fcu發(fā)現(xiàn)，PSRAC要稍好于NSRAC，說明粗骨料性能直接影響混凝土抗壓強(qiáng)度．

表3 各組軸心抗壓強(qiáng)度和立方體抗壓強(qiáng)度的對比Tab.3 Comparison of uniaxial compressive strength and cube compressive strength in each group

3.2 應(yīng)力 - 應(yīng)變?nèi)€

棱柱體單軸受壓破壞試驗得到應(yīng)力 - 應(yīng)變?nèi)€如圖5所示．可以看出，同一類再生粗骨料下不同取代率的混凝土本構(gòu)曲線上升段大體相同；峰值點(diǎn)后下降段的發(fā)展趨勢相似，RAC、NSRAC及PSRAC下降段較NAC更為陡峭，說明再生混凝土粗骨料內(nèi)部損傷較大，裂縫發(fā)展更迅速，顯現(xiàn)出更大脆性．

圖5 應(yīng)力 - 應(yīng)變?nèi)€Fig.5 Stress-strain curve

3.3 峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變

由圖6可知峰值應(yīng)力由大到小排列為NAC>PSRAC>NSRAC>RAC，且隨再生粗骨料取代率增加，再生混凝土峰值應(yīng)力隨之減?。甈ASRAC與NSRAC相對RAC峰值應(yīng)力明顯增大，PSRAC峰值應(yīng)力與NAC的相差不大，且均高于NSRAC，說明去除粗骨料附著砂漿的PSRAC性能優(yōu)于強(qiáng)化粗骨料附著砂漿的NSRAC；對峰值應(yīng)變進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，RAC峰值應(yīng)變基本呈現(xiàn)上升趨勢，而PSRAC和NSRAC峰值應(yīng)變先增大后減小，且PSRAC均高于NSRAC的峰值應(yīng)變；在相同取代率下對比不同混凝土峰值應(yīng)變，沒有發(fā)現(xiàn)特定規(guī)律．

圖6 不同取代率下試件的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變Fig.6 Peak stress and peak strain of specimens with different replacement rates

3.4 彈性模量

采用公式2[16]計算彈性模量，從圖7中可以看出RAC明顯低于NAC的彈性模量，PSRAC和NSRAC較RAC的彈性模量有所增大，但仍低于NAC的彈性模量．PSRAC和NSRAC彈性模量相差不大．隨再生骨料取代率增大，各組混凝土彈性模量變化不明顯．

(2)

式中：E為彈性模量,MPa；σC為峰值應(yīng)力,MPa；σ0.4σC為0.4σC對應(yīng)的應(yīng)變；σ0.5為試驗中與0.5MPa最接近的應(yīng)力,MPa；ε0.5為σ0.5對應(yīng)的應(yīng)變．

3.5 泊松比

泊松比采用各試件橫向變形穩(wěn)定后橫向、縱向應(yīng)變的比值．圖8為不同取代率下各混凝土泊松比的值，可以看出RAC、NSRAC及PSRAC和NAC泊松比相似，均分布在0.14～0.24之間，符合國家規(guī)范[17]提出的泊松比可按0.2計算．

圖7 不同取代率下各混凝土彈性模量Fig.7 Elastic modulus of specimens with different replacement rates

圖8 不同取代率下各混凝土泊松比Fig.8 Poisson ratio of specimens with different replacement rates

3.6 應(yīng)力 - 應(yīng)變?nèi)€回歸分析

圖9 無量綱應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線Fig.9 Dimensionless stress-strain curves

取x=ε/εp，y=σ/σp作為應(yīng)力 - 應(yīng)變?nèi)€橫、縱坐標(biāo)，其中σp、εp為試件的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變，處理后曲線見圖9．可以發(fā)現(xiàn)NAC、RAC、NSRAC和PSRAC的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線幾何特性相似，上升段相差不大，但不同取代率下下降段陡峭程度不同，表現(xiàn)出一定的離散性，說明隨取代率不同，再生混凝土脆性變化有所不同．以往研究表明，過鎮(zhèn)海[18]提出的分段式函數(shù)(見公式3)擬合天然和再生混凝土應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線與試驗結(jié)果吻合度較好，因此采用該種方法進(jìn)行強(qiáng)化后再生粗骨料混凝土本構(gòu)曲線的研究．基于最小二乘法將試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，得出參數(shù)a、b，參數(shù)a表示初始切線模量與峰值割線模量的比值，參數(shù)b表示下降段與x軸所圍面積，b值越小，試件脆性越小、塑性越大．圖10為無量綱化處理后混凝土應(yīng)力 - 應(yīng)變?nèi)€與擬合后曲線對比圖．

(3)

參數(shù)a、b以及擬合優(yōu)度相關(guān)系數(shù)R2列于表4中，全曲線上升段擬合相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99，擬合度較高；下降段擬合相關(guān)系數(shù)稍低，但均高于0.85，可以看出用分段式函數(shù)進(jìn)行強(qiáng)化后再生粗骨料混凝土單軸受壓應(yīng)力 - 應(yīng)變?nèi)€的擬合效果較好．

表4 各組混凝土應(yīng)力 - 應(yīng)變?nèi)€方程擬合系數(shù)Tab.4 Fitting coefficient of stress-strain curve equation

4 結(jié)論

(1)強(qiáng)化后再生粗骨料的吸水率、壓碎指標(biāo)、表觀密度及堆積密度均有提高，結(jié)合混凝土的抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)力及彈性模量發(fā)現(xiàn)顆粒整形法要優(yōu)于納米SiO2浸泡法．

(2)各組混凝土單軸受壓應(yīng)力 - 應(yīng)變?nèi)€的幾何形態(tài)基本相同，NSRAC與PSRAC上升段斜率和峰值應(yīng)力明顯高于RAC，但仍低于NAC，說明兩種強(qiáng)化方式都提高了再生粗骨料混凝土的彈性模量和峰值應(yīng)力．

(3)不同粗骨料混凝土的泊松比相差不大，其值大致分布在0.2左右．

(4)采用過鎮(zhèn)海提出的分段式函數(shù)擬合單軸抗壓應(yīng)力 - 應(yīng)變?nèi)€，上升段相關(guān)系數(shù)在0.99以上，下降段相關(guān)系數(shù)在0.85以上，擬合結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合．

圖10 實測與計算應(yīng)力 - 應(yīng)變?nèi)€對比Fig.10 Comparison of test and calculated full stress-strain curves